賈智樂，盧小平，李向陽，余 濤

(1.河南理工大學(xué)礦山空間信息技術(shù)國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南焦作454003;2.河南省基礎(chǔ)地理信息中心，河南鄭州450003;3.中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所，北京100101)

一、引 言

地物波譜庫是使用光譜儀在野外特定條件下測得的各類地物反射光譜數(shù)據(jù)的集合。以實(shí)測數(shù)據(jù)建立的波譜庫作為影像解譯標(biāo)志，是遙感圖像分析的理論基礎(chǔ)和地物分類識(shí)別的依據(jù)。我國目前已建成了10余種地物的波譜庫，但煤礦區(qū)典型地物波譜庫的建設(shè)尚屬空白，因此該項(xiàng)工作顯得尤為重要。建立煤礦區(qū)典型地物波譜庫就是對(duì)具有典型特征的地物進(jìn)行反射光譜測量，經(jīng)后期處理、存儲(chǔ)后，作為構(gòu)建波譜庫的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這樣就可以將遙感系統(tǒng)獲取的地物波譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有用的信息，并應(yīng)用于多種輔助決策過程，如礦區(qū)資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測與治理、土地復(fù)墾、區(qū)域規(guī)劃等。本文以典型地物波譜數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，歸納挖掘擴(kuò)展產(chǎn)生知識(shí)庫，最終形成數(shù)據(jù)庫、知識(shí)庫、模型庫三位一體的數(shù)據(jù)庫，可為巖礦的自動(dòng)識(shí)別、定量反演及礦石晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析等提供基礎(chǔ)支撐。

二、礦區(qū)典型地物波譜數(shù)據(jù)采集方法

1.試驗(yàn)區(qū)概況

本文選擇鶴壁礦區(qū)作為試驗(yàn)研究區(qū)。鶴壁市位于河南省北部太行山脈東麓和華北平原的過渡地帶，礦區(qū)范圍為113°59'23″E～ 114°45'12″E、35°26'00″N～36°02'54″N，屬于北溫帶大陸性干旱型季風(fēng)氣候，四季分明，光照充足，溫差較大。據(jù)鶴壁市氣象局1999—2009年氣象資料顯示，該市年平均蒸發(fā)量為1 811.25 mm，平均相對(duì)濕度為60.43%。光譜測量地點(diǎn)主要集中在鶴壁煤業(yè)集團(tuán)下屬六礦區(qū)域，該礦為丘陵地區(qū)，地勢西北高、東南低，地面高程為125.50～227.70 m，面積約 18 km2，目前核定生產(chǎn)能力為120萬t/a，煤層保有儲(chǔ)量157 024.4萬 t。其中，工業(yè)儲(chǔ)量12 768.8 萬t，可采儲(chǔ)量8 097.8萬t。

2.測量儀器

本次波譜測量使用美國分析光譜儀器(ASD)公司生產(chǎn)的ASD FieldSpec 3便攜式滿光譜野外光譜儀(如圖1所示)。該儀器具有測定范圍大(350～2500 nm)、光譜分辨率高(3～10 nm)，實(shí)時(shí)測量并觀察反射、透射、輻射度等光譜曲線，以及顯示絕對(duì)反射比(需要定標(biāo)的白色標(biāo)準(zhǔn)板數(shù)據(jù))等特點(diǎn)。ASD FieldSpec 3標(biāo)配大視場角光纖接收端，可選附件齊全，包括反射探頭、透射或反射式余弦接收器、積分球、葉片探頭、不同視場角鏡頭、不同長度的光纖等。

圖1 光譜儀

3.光譜測定方法

為獲得植被高質(zhì)量的反射光譜曲線，宜選擇在晴空無云天氣下進(jìn)行，最佳作業(yè)時(shí)間為北京時(shí)間10：00—14：00。本次野外波譜測量在2012年4月下旬進(jìn)行，為避開太陽直射對(duì)光場的影響，具體測定方法是在地物陽面進(jìn)行測量時(shí)，太陽與測量方位的夾角保持在135°(背向太陽方向)、天頂角(探頭/光源)大于45°、觀測高度為0.5 m;為避免身體遮擋光線，需對(duì)地物進(jìn)行垂直、45°傾斜和天空光測量，并及時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)板進(jìn)行測量。由于光照條件和儀器穩(wěn)定性對(duì)測量結(jié)果影響較大，對(duì)同一目標(biāo)應(yīng)進(jìn)行多次測量(10～15次)，并取平均值作為樣點(diǎn)的反射光譜值。

根據(jù)野外光譜儀測定的各種植被(林地、自然草地、人工草地)、水域、干線水渠、可耕地、撂荒地、沉陷地等環(huán)境要素和煤礦典型地物(如矸石堆、煤堆、公路、運(yùn)煤鐵路專用線等)在不同波譜段的反射率，可建立礦區(qū)典型地物的反射波譜庫。煤礦區(qū)典型地物包括：

1)矸石堆：包括矸石山，被矸石污染的地表覆被，污染水體、土壤、植被，未污染區(qū)域的水體、土壤、植被，以及矸石山污染物(鐵氧化物)等。

2)煤堆：礦區(qū)內(nèi)的所有煤堆及堆煤場。

3)洗煤水：包括煤礦洗煤廠排放的污染水體，以及矸石堆污染水體等。

4)開采塌陷區(qū)：包括沉陷區(qū)、塌陷盆地、地裂縫等地物。

5)典型交通線路：主要是礦區(qū)內(nèi)的運(yùn)煤公路、運(yùn)煤鐵路專用線及附屬構(gòu)建(筑)物。

三、數(shù)據(jù)采集及處理

1.數(shù)據(jù)采集

首先確定需要測量的典型地物，然后用光譜儀進(jìn)行反射波譜測定，如圖2所示。具體操作步驟如下：

1)打開光譜儀電源和計(jì)算機(jī)電源，啟動(dòng)RS3軟件并在軟件上選擇相應(yīng)的鏡頭，點(diǎn)擊OPT優(yōu)化(工作過程中特別是開始工作的前半個(gè)小時(shí)內(nèi)每隔一定時(shí)間需要作一次優(yōu)化)，在軟件中選擇存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的路徑、名稱和其他內(nèi)容。

2)對(duì)每個(gè)地物測量10次以上，以提高精度。

3)拍攝典型地物地貌的景觀照片，如地裂縫、沉陷盆地、矸石堆、煤堆、礦井、鐵路、土壤等，然后在計(jì)算機(jī)上對(duì)照片進(jìn)行編碼，使之與相應(yīng)地物波譜數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)。

圖2 數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場

2.影響礦區(qū)光譜測量的主要因素及處理方法

一些外在因素不可避免地會(huì)對(duì)波譜測量結(jié)果產(chǎn)生影響，這些影響因素主要包括：

1)大氣透射率的影響。礦區(qū)空氣中的粉塵會(huì)在一定程度上造成太陽輻射度的衰減，并對(duì)大氣透射率產(chǎn)生影響。因此，盡量選擇雨后的晴天進(jìn)行測量，這時(shí)空氣中的懸浮物相對(duì)比較低，一定程度上可以提高測量精度。

2)水蒸氣的影響。在測量標(biāo)準(zhǔn)板(由硫酸鋇或石膏等物質(zhì)制成)或目標(biāo)物時(shí)，水蒸氣的瞬間變化也會(huì)降低光譜數(shù)據(jù)測量精度，因此可以通過光譜儀間接測量空氣濕度。具體方法是利用標(biāo)準(zhǔn)板使反射光譜標(biāo)準(zhǔn)化(此時(shí)反射率曲線整體是近于1.0的直線)，然后連續(xù)測定標(biāo)準(zhǔn)板的反射率。如果測得的反射光譜近似直線，說明大氣條件穩(wěn)定、濕度相對(duì)較低;若反射光譜曲線不平滑，則表明大氣條件不穩(wěn)定，以此可以檢驗(yàn)光譜數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性。因此，選擇在10：00—14：00進(jìn)行反射光譜測量，是由于該時(shí)間段內(nèi)的太陽光線較強(qiáng)，空氣濕度相對(duì)較低，大氣條件穩(wěn)定性較好，可以最大限度地降低水蒸氣對(duì)測量結(jié)果的影響。

3.試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)處理

要確定一種物體反射能力的大小，需要同時(shí)測量參考物和目標(biāo)物的光譜反射能量，兩者相除可消除目標(biāo)物和參照物光譜響應(yīng)中的放大參數(shù)，如光源(通常為太陽)的光譜輻射和光譜儀自身的光學(xué)輸出，從而得到目標(biāo)物相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)板的相對(duì)反射率，即

式中，r為被測物體的反射率;Bi、Bo分別為目標(biāo)物、參考板的反射能量。

隨著太陽入射角與觀測角度的變化，地物表面的反射會(huì)有明顯的差異，這種差異不僅與入射和反射角度有關(guān)，而且還隨物體空間結(jié)構(gòu)要素的變化而變化。方向反射率是對(duì)入射和反射方向嚴(yán)格定義的反射率。

由于自然界中不存在反射率為100%的物體，因此被測物體的絕對(duì)反射率可利用測得的相對(duì)反射率乘以標(biāo)準(zhǔn)板的反射系數(shù)求得。基于上述原理，本文借助相應(yīng)的軟件將野外采集的波譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了各種典型地物的反射率，經(jīng)數(shù)據(jù)處理、編輯與整理后，建立了反射波譜庫。

光譜微分技術(shù)是處理高光譜遙感數(shù)據(jù)的一種重要方法，它通過對(duì)反射光譜進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬和計(jì)算不同階數(shù)的微分差，以迅速確定光譜彎曲點(diǎn)及最大最小反射率的波長位置。一般認(rèn)為，對(duì)光譜的一階微分處理可以去除部分線性或接近線性的背景噪聲對(duì)目標(biāo)光譜的影響。其中，目標(biāo)光譜必須是非線性的。ASD FieldSpec 3光譜儀測量的是離散型光譜數(shù)據(jù)，其一階微分計(jì)算公式為

式中，R(λi+1)和 R(λi－1)表示相鄰波長的反射率;R'(λi)表示波長λi反射率的一階微分值。

為了減小儀器本身及環(huán)境的隨機(jī)噪聲，對(duì)得到的一階微分光譜進(jìn)行平滑過濾處理，使得到的光譜曲線的彎曲點(diǎn)及最大、最小反射率的波長位置變得更加突出，如圖3所示。

圖3 反射率的一階微分

對(duì)野外測量的所有樣本點(diǎn)的多個(gè)光譜反射率曲線在軟件中進(jìn)行均值處理，并選取平均值作為樣本點(diǎn)的光譜值。取同一目標(biāo)多次測量值的平均值，可以提高測量結(jié)果的穩(wěn)定性和可信度，同時(shí)可大幅度提升信噪比。

光譜儀不同波段對(duì)能量響應(yīng)的差異，使光譜曲線存在一些噪聲。為了去除包含在光譜數(shù)據(jù)中的噪聲，提高數(shù)據(jù)精度，需要平滑光譜曲線波形，并對(duì)同一地物多次測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，將所求的平均值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Text/Data Only格式保存(如圖4(a)所示)。在Excel表格中打開后，每個(gè)波段對(duì)應(yīng)其相應(yīng)的反射值，首先去除受外界噪聲影響較大的邊緣波段350～390 nm和2430～2550 nm兩段數(shù)據(jù)(如圖4(b)所示);然后導(dǎo)入Origin軟件中，并對(duì)由于儀器工作狀態(tài)不穩(wěn)定、周圍環(huán)境影響等因素造成的異常光譜曲線進(jìn)行消除跳躍點(diǎn)(如圖4(c)所示);最后對(duì)曲線進(jìn)行非線性最小平方擬合處理(如圖4(d)所示)。

圖4 數(shù)據(jù)處理過程

4.試驗(yàn)結(jié)果

本文選取煤礦區(qū)具有典型特色地物的反射波譜進(jìn)行了處理與分析，結(jié)果如圖5所示。光譜對(duì)于地物化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的微細(xì)變化非常敏感，地物微細(xì)的化學(xué)和結(jié)構(gòu)的變化都能導(dǎo)致吸收位置和吸收形態(tài)的變化，以致呈現(xiàn)不同的反射波譜曲線。

由圖5(a)可以看出，矸石堆與煤堆外形相似，兩者的反射波譜曲線都呈線性，但反射率存在明顯差異：在可見光波段相差約為25%，近紅外區(qū)域則達(dá)到40%，這是由于兩者礦物組成和化學(xué)成分不同。此外，矸石堆由于長期風(fēng)化，含水量比較低，而煤堆的含水量較大，含水量越高在紅外波段吸收越嚴(yán)重。

由圖5(b)可以看出，矸石堆東部的麥地與礦區(qū)生長小麥的反射曲線走勢基本一致，但在近紅外區(qū)的差異明顯大于可見光部分，反射波譜在750～1400 nm波段呈現(xiàn)出較大的差異。這是由于小麥的下墊面不同，礦區(qū)麥田的土壤受到煤礦區(qū)沖水(雨水、洗煤水)的影響大，土表發(fā)黑，矸石堆東部的小麥?zhǔn)苡绊懗潭认鄬?duì)小些，由此可以判定礦區(qū)內(nèi)農(nóng)田土壤受煤礦及其附屬品的影響程度。

圖5 煤礦區(qū)典型地物反射波譜

四、結(jié)束語

本文通過對(duì)采集的煤礦區(qū)典型地物的波譜數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，獲得了典型地物的反射波譜，并對(duì)相似地物、同種植被在不同地貌情況下的反射率存在的差異進(jìn)行了定量分析，研究結(jié)果可為礦區(qū)典型地物遙感自動(dòng)解譯提供借鑒。

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